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114 台綜大微積分 C 第 4 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分 C

114學年度 · 114微積分C · 第 4 題

題目

Problem

Two particles, A,BA, B, initially start from origin (0,0)(0, 0), move along two straight lines with angle π6\frac{\pi}{6} between them. Particle AA is moving at a speed of 22, and particle BB is moving at a speed of 66. What is the rate of change of the distance between two particles, when particle AA is 11 unit from the starting point? (10%)

(4) 距離變化率為 見解答‾\underline{\quad\text{見解答}\quad}.

解答

解法一

思路

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  1. 本題是典型的相關變率 (Related Rates) 問題。
  2. 兩質點 A,BA, B 從同一點出發,沿著夾角為 π/6\pi/6 的兩條射線運動。
  3. 設時間為 tt:
    • 質點 AA 的路程為 x(t)=2tx(t) = 2t。其速度為 dxdt=2\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} = 2。
    • 質點 BB 的路程為 y(t)=6ty(t) = 6t。其速度為 dydt=6\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} = 6。
  4. 設兩質點之間的距離為 D(t)D(t)。根據餘弦定理 (Law of Cosines): D2=x2+y2−2xycos⁡(π6)=x2+y2−3xyD^2 = x^2 + y^2 - 2xy \cos\left(\frac{\pi}{6}\right) = x^2 + y^2 - \sqrt{3}xy
  5. 我們可以對等式兩邊關於 tt 求導以獲得 dDdt\frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}。
  6. 極速代數技巧: 直接將 x=2tx=2t 且 y=6ty=6t 代入餘弦定理中,可以寫出 D(t)D(t) 作為 tt 的一次函數: D2(t)=(2t)2+(6t)2−3(2t)(6t)=(40−123)t2D^2(t) = (2t)^2 + (6t)^2 - \sqrt{3}(2t)(6t) = (40 - 12\sqrt{3})t^2 取根號後(因為 t>0t>0): D(t)=t40−123D(t) = t \sqrt{40 - 12\sqrt{3}} 這說明距離變化率 dDdt=40−123\frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t} = \sqrt{40 - 12\sqrt{3}} 是一個與時間無關的常數!不論 AA 距離起點多遠,變化率均相同。

答題過程

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設時間為 tt。由於兩質點從原點出發且均作等速直線運動:

  • 質點 AA 的移動距離為 x=2tx = 2t,其速度為 dxdt=2\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} = 2。
  • 質點 BB 的移動距離為 y=6ty = 6t,其速度為 dydt=6\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} = 6。

我們利用餘弦定理計算兩質點之間的直線距離 DD。由於其軌跡夾角為 θ=π6\theta = \frac{\pi}{6}:

D2=x2+y2−2xycos⁡(π6)D^2 = x^2 + y^2 - 2xy\cos\left(\frac{\pi}{6}\right)

代入 cos⁡π6=32\cos\frac{\pi}{6} = \frac{\sqrt{3}}{2}:

D2=x2+y2−3xy— (1)D^2 = x^2 + y^2 - \sqrt{3}xy \quad \text{--- (1)}

當質點 AA 距離起點 11 單位時:

x=2t=1  ⟹  t=12x = 2t = 1 \implies t = \frac{1}{2}

此時,質點 BB 的距離為:

y=6(12)=3y = 6\left(\frac{1}{2}\right) = 3

代入式 (1) 計算此時的距離 DD:

D2=12+32−3(1)(3)=10−33  ⟹  D=10−33D^2 = 1^2 + 3^2 - \sqrt{3}(1)(3) = 10 - 3\sqrt{3} \implies D = \sqrt{10 - 3\sqrt{3}}

對式 (1) 兩邊關於時間 tt 進行隱函數求導:

2D⋅dDdt=2xdxdt+2ydydt−3(dxdty+xdydt)2D \cdot \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t} = 2x \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} + 2y \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} - \sqrt{3} \left( \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}y + x\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} \right)

兩邊同除以 22 整理:

dDdt=1D[xdxdt+ydydt−32(ydxdt+xdydt)]\frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t} = \frac{1}{D} \left[ x\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} + y\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} - \frac{\sqrt{3}}{2}\left( y\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} + x\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} \right) \right]

將 x=1,y=3,D=10−33x=1, y=3, D = \sqrt{10 - 3\sqrt{3}} 以及 dxdt=2,dydt=6\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=2, \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}=6 代入上式:

dDdt= 110−33[(1)(2)+(3)(6)−32((3)(2)+(1)(6))]= 110−33[2+18−32(12)]= 20−6310−33= 2(10−33)10−33=210−33\begin{align*} \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t} =&\, \frac{1}{\sqrt{10 - 3\sqrt{3}}} \left[ (1)(2) + (3)(6) - \frac{\sqrt{3}}{2} \Big( (3)(2) + (1)(6) \Big) \right] \\[4mm] =&\, \frac{1}{\sqrt{10 - 3\sqrt{3}}} \left[ 2 + 18 - \frac{\sqrt{3}}{2}(12) \right] \\[4mm] =&\, \frac{20 - 6\sqrt{3}}{\sqrt{10 - 3\sqrt{3}}} \\[4mm] =&\, \frac{2\left(10 - 3\sqrt{3}\right)}{\sqrt{10 - 3\sqrt{3}}} = 2\sqrt{10 - 3\sqrt{3}} \end{align*}

結論: 距離變化率為 210−332\sqrt{10 - 3\sqrt{3}}。